从薄壳结构看建筑结构仿生

 从薄壳结构看建筑结构仿生

　　【关键字】薄壳结构；建筑结构仿生；大空间建筑；抗压；高耸建筑；抗风

　　1．建筑结构仿生概述

　　1960年在DAYTON市（美国俄亥俄州）的研讨会上提出：生物的原型是打开新技术奥秘的钥匙，从而首次确立了仿生学的法律地位。[1]建筑仿生学则是仿生学的一个重要分支。它试图通过大自然获取布置结构形式的灵感，使得传力更加合理。

　　正如达•芬奇所说,“人类的灵性将会创造出多样的发明来，但是他们并不能使这些发明更美妙、更简洁、更明朗；因为自然的产物都是恰到好处的。”事实上，各种生物的结构不乏可供人们效仿的典范，它们由内至外无处不体现着对空间、能源利用的高适应性、高科技性、以及经济合理性。因此无论是一个小小的蛋壳，还是挺拔的竹子，抑或是随处可见的芦苇都成为了我们建筑结构的雏形，由它们所引发的建筑结构的变革也不断推动着建筑结构的完善。　

　　2．薄壳结构仿生

　　2.1概述

　　薄壳结构是一种曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳等。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。生物界中，各种蛋壳、贝壳、乌龟壳以及人的头盖骨等都是一种曲率均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但非常耐压。

　　2.2圆顶薄壳——大空间建筑与抗压

　　谈到圆顶薄壳，我们会很自然地想到平常最熟悉不过的蛋壳。从几何形态上看，蛋壳的厚跨比可达1：120，以极少的材料创造了广大的空间。从受力方面来看，实验证明，当鸡蛋均匀受力时，它可以承受34.1kN——相当于本身重量六百多倍的压力而不被破坏。蛋壳具有如此大的承受力，是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开的。蛋壳结构可分为三层：外层为表皮层，中层为海绵层，内层为乳头层。这三层具有不同弹性模量的显微结构构成了一个天然的预应力结构体系，从而形成了一个科学的传力路径，很好地将力分散至外部，有效地避免了应力集中。

　　让我们进一步分析弧形圆顶的受压优势。在如图1所示的实验中[3]，将两个蛋壳悬空放置，一个圆弧朝上（A），另一个朝下(B)，在高处拿一支笔，让其自由落体并击中蛋壳，铅笔与蛋壳的间距达到某个高度时，蛋壳B首先破碎。其中的原因可从两方面分析。一方面，如图2所示，当力F垂直作用于蛋壳时，它在两蛋壳表面各自产生分力T1和T2。对于蛋壳来说，从微观角度看，不受外力作用时，它的分子间距在左右。对蛋壳A，F作用瞬间，分子间距减小，从图3可知，